鄒 曄,裴宏杰,陳林鋒,劉成石,王貴成

(1.無錫職業(yè)技術(shù)學院 機械技術(shù)學院,無錫 214121)(2.江蘇大學 機械工程學院,鎮(zhèn)江 212013)

在氣體保護焊接過程中,保護氣體在電弧周圍形成氣體保護層,將電弧、熔池與空氣隔開,防止空氣對焊接的影響,保證電弧穩(wěn)定燃燒[1-2]．由不同氣體成分混合組成的保護氣能夠適應不同金屬材料和焊接工藝的需要,并能獲得最佳的保護效果、優(yōu)良的電弧特性及穩(wěn)定的熔滴過渡特性,比用單一氣體更易得到良好的焊接效果[3-4]．

在氣體保護焊接過程中,需要消耗大量保護氣,尤其是混合氣,價格較高．為了降低成本,減小資源消耗,需要在保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上,降低保護氣的用量．為此，國內(nèi)外學者對保護氣的用量進行了相關(guān)研究．文獻[5]通過比較保護氣體層流長度的方法,分析了徑向、斜孔和整流罩型中3種不同導氣結(jié)構(gòu)與保護氣體用量的關(guān)系．文獻[6]采用PHOENICS軟件模擬了保護氣流場,分析了噴嘴直徑對流量的影響．文獻[7]運用Fluent軟件對流場進行模擬,研究在不同流量條件下,噴嘴直徑與抵抗側(cè)風能力的關(guān)系．文獻[8]采用CFD仿真計算和X射線探傷實驗,研究了噴嘴結(jié)構(gòu)與流量對保護氣體包裹性能的影響[8]．文獻[9]采用CFX分析了導電嘴上的導氣孔直徑對保護氣體用量的影響,并進行了焊接實驗及驗證．

在前期研究中,在不減小保護氣保護范圍條件下,降低保護氣用量,從而降低成本,減少資源消耗的研究較少．因此文中針對傳統(tǒng)氣體保護焊,通過改變噴嘴的結(jié)構(gòu)來減小保護氣用量,對實際生產(chǎn)具有重要的指導意義．

1 保護氣CFD流場分析

1.1 仿真參數(shù)

板材厚度為4 mm,熔池寬度為8 mm,熔合區(qū)為1 mm,焊接允許最大側(cè)風風速為0.5 m/s．一般情況下,熟練工人使用半自動走絲最快焊接速度為5 mm/s,據(jù)此可以設(shè)定焊接時某點一瞬態(tài)停留時間為0.2 s．以通過計算流場中某點速度與該處音速之比,得到流場最大馬赫數(shù)(M)[10-11]為0.03,遠小于臨界條件(馬赫數(shù)為0.3),可認為氣體是不可壓縮的．

在保護氣體流量仿真分析中,對保護氣體流場合格的標準進行了規(guī)定:在0.5 m/s側(cè)風條件下,在側(cè)風端的保護氣覆蓋邊界到焊縫中心的長度為保護距離(L)(圖1),保護距離大于熔池寬度+熔合區(qū)寬度之和,并且在保護距離內(nèi),保護氣體濃度不小于95%．本仿真的最小保護距離為4.5 mm(熔池寬度4 mm+熔合區(qū)寬度0.5 mm)．

1.2 仿真噴嘴模型

仿真中使用4種噴嘴模型,如圖2．圖2(a)為工業(yè)用直孔普通噴嘴,孔徑為16 mm;圖2(b)為雙螺旋噴嘴,端部孔徑為16 mm;圖2(c)為縮徑噴嘴,端部內(nèi)收孔徑為12 mm;圖2(d)為擴散噴嘴,端部內(nèi)孔呈錐度,端部最大孔徑為12 mm．

圖1 保護距離Fig.1 Protection radius

圖2 4種噴嘴Fig.2 Four kinds of nozzles

在Fluent中構(gòu)建3D模型,如圖3．模型區(qū)域為長方體,其長寬高分別為120,120和63.5 mm．噴嘴位于長方體正中間,工件位于噴嘴下方10 mm處．導電嘴位于噴嘴中部,按實際尺寸測量后簡化．分流器位于導電嘴上端,具有8個均勻分布孔．不考慮電弧對氣流的影響．模型網(wǎng)格由1 020 000四面體單元組成,噴嘴內(nèi)和噴嘴到工件之間的網(wǎng)格密度大于流場外側(cè)的網(wǎng)格密度．

圖3 氣體保護焊的3D模型Fig.3 3D model of gas shielded arc welding

邊界條件,空間氣壓為101.325 KPa,自由邊界為出氣口,氣體進口是位于分流器上的8個均勻分布的小孔,在流場一側(cè)添加側(cè)風,開始時設(shè)置整個流場全部為空氣．采用非穩(wěn)態(tài)壓力求解器．

1.3 仿真結(jié)果

(1) 普通噴嘴的不同流量比較

在工業(yè)上,使用孔徑為16 mm的直孔普通噴嘴進行氣體保護焊時,保護氣體流量一般為16～20 L/min．在仿真中,直孔普通噴嘴所加載的混合氣(80%Ar+20%CO2)流量分別為16、12、11 L/min．圖4為流量分別為16、12和11 L/min的直孔普通噴嘴保護氣質(zhì)量濃度分布．由圖中可以看出,保護氣體從分流器中流出進入噴嘴中,射流到工件表面,沿四周進行擴散.由于保護氣體受到側(cè)風的擠壓,保護范圍減小,易形成焊接缺陷．

當流量為16 L/min時,保護距離L為9.98 mm,抵抗側(cè)風能力最好,但浪費了較多保護氣;當流量為11 L/min時,保護距離L為4.39 mm,被側(cè)風吹偏程度最大,沒有完全覆蓋住焊接熔池;流量為12 L/min時,保護距離L為6.04 mm,雖然有一定程度的吹偏,但能夠完全覆蓋焊接熔池和熔合區(qū),而且有一定冗余,可以減少25%混合氣用量．

圖4 不同流量保護氣體質(zhì)量濃度分布Fig.4 Mass concentration distributior of different shielding gas flow

(2) 普通噴嘴與螺旋噴嘴的比較

圖5為孔徑16 mm的普通噴嘴和孔徑16 mm螺旋噴嘴(12 L/min),無側(cè)風條件下流線圖．普通噴嘴保護氣體流場直接沿著軸向噴射到工件上,而螺旋噴嘴中保護氣體繞著噴嘴中心螺旋向下噴射到工件上．螺旋氣體在一定程度上能促進熔池的流動．無側(cè)風條件下,直孔普通噴嘴和雙螺旋噴嘴到達保護距離L=4.5 mm所用的時間分別為0.112 s和0.138 s,雙螺旋噴嘴保護氣在工件上面旋轉(zhuǎn),在工件表面停留時間更長．

圖5 不同噴嘴流線圖Fig.5 Velocity streamline of different nozzles

圖6為在側(cè)風0.5 m/s影響下,流量12 L/min的雙螺旋噴嘴中保護氣體質(zhì)量濃度分布情況．保護距離L為5.67 mm,小于流量12 L/min時普通噴嘴的L值(6.04 mm)．根據(jù)圖4(b)和圖6可得知受側(cè)風影響一側(cè),雙螺旋噴嘴到環(huán)境中的保護氣體明顯少于普通噴嘴噴出的氣體,意味著相同保護氣濃度下,雙螺旋噴嘴抵抗側(cè)風能力低于普通噴嘴．

圖6 保護氣質(zhì)量濃度分布(螺旋噴嘴,流量12 L/min)Fig.6 Mass concentration distribution of shielding gas (spiral nozzle,12 L/min)

(3) 縮徑噴嘴和擴散噴嘴比較

圖7和圖8分別為流量9 L/min時的縮徑噴嘴中和擴散噴嘴中保護氣體質(zhì)量濃度分布．其保護距離L分別為4.83 mm(縮徑噴嘴)和4.61 mm(擴散噴嘴)．可以看出縮徑噴嘴和擴散噴嘴相比普通噴嘴,混合保護氣流量可以更少．

圖7 縮徑噴嘴的保護氣體質(zhì)量濃度分布Fig.7 Mass concentration distribution of shielding gas (shrink nozzle,9 L/min)

圖8 擴散噴嘴的保護氣體質(zhì)量濃度分布Fig.8 Mass concentration distribution of shielding gas (diverging nozzle,9 L/min)

(4) 不同噴嘴氣體濃度的分布圖

為了更直觀地觀察和分析在工件表面截線處濃度分布情況,將仿真結(jié)果提取出來繪制成曲線圖．圖9為沒有側(cè)風時,保護氣體濃度分布曲線(縮徑噴嘴和擴散噴嘴,9 L/min;普通噴嘴和螺旋噴嘴,12 L/min)．圖10為0.5 m/s側(cè)風條件下保護氣體濃度分布曲線(縮徑噴嘴和擴散噴嘴,流量9 L/min;普通噴嘴和螺旋噴嘴,流量12 L/min)．從圖9和圖10可知,工件上保護氣體在焊縫中心濃度不是最高,而是在焊縫中心兩側(cè)附近,然后向外濃度遞減．在相同流量下,擴散噴嘴抵抗側(cè)風能力低于縮徑噴嘴側(cè)力．但是擴散噴嘴的覆蓋面積大于縮徑噴嘴．縮徑噴嘴適用于干擾較大的側(cè)風時,而擴散噴嘴適用于無風或微弱風時．在無風條件下,普通噴嘴和螺旋噴嘴的保護氣體上覆蓋面積較大,普通噴嘴抵抗側(cè)風能力高于螺旋噴嘴．

圖9 無風條件下不同噴嘴的保護氣體濃度分布Fig.9 Mass concentration distribution without side draught

圖10 有風條件下不同噴嘴的保護氣體濃度分布Fig.10 Mass concentration distribution with side draught

2 焊接實驗

2.1 實驗系統(tǒng)和實驗參數(shù)

采用自行研制2003型混配系統(tǒng)和NBC-350氣體保護焊機,加工出螺旋噴嘴、縮徑噴嘴和擴嘴散噴,構(gòu)建成一個混合氣保護焊接系統(tǒng),如圖11．

圖11 氣體保護焊實驗系統(tǒng)Fig.11 Welding system

室內(nèi)焊接,焊絲型號為Ehr506,焊接電流200 A,混合氣為80%Ar+20%CO2．工件材料為Q235A鋼，板厚4 mm,對接接頭,Ⅰ型坡口,然后進行線切割,參照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》及GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》,做成標準試樣,如圖12．

圖12 拉伸樣件(單位：mm)Fig.12 Tensile sample(unit:mm)

焊接后使用線切割方法對焊縫進行橫向切斷,然后對樣件進行拋光,采用濃度為4%硝酸溶液對焊縫斷面進行腐蝕,在HVS-1000型電子顯微硬度儀上測量硬度,用來間接評價焊縫性能．

2.2 實驗結(jié)果和分析

(1) 拉伸結(jié)果分析

在電子萬能試驗機進行拉伸實驗,實驗結(jié)果如表1．普通噴嘴、螺旋噴嘴、縮徑噴嘴和擴散噴嘴的焊接樣件斷口都不在焊縫上,普通噴嘴、螺旋噴嘴、縮徑噴嘴的斷口位于樣件的母材上,擴散噴嘴的斷口位于焊縫熱影響區(qū),抗拉強度分別為432.34、404.23、427.15和421.56 MPa,在Q235A鋼的抗拉強度范圍內(nèi)(375～460 MPa)．表明減小保護氣用量的焊接效果能夠滿足力學性能．

(2) 焊縫硬度結(jié)果分析

如圖13(a)和(b),焊縫中心到母材的硬度值大體呈下降的趨勢,焊縫區(qū)和熱影響區(qū)測得的硬度值都大于母材區(qū)的硬度并且焊縫區(qū)的硬度最高．使用普通噴嘴、螺旋噴嘴、縮徑噴嘴和擴散噴嘴所得焊縫,在中心處的硬度最高為220HV左右．

在使用9 L/min縮徑噴嘴和9 L/min擴散噴嘴的焊縫在熱影響區(qū)硬度出現(xiàn)峰值,主要是由于熱影響區(qū)晶粒粗化導致．這種現(xiàn)象可能會引起熱裂紋傾向等焊接缺陷的產(chǎn)生．因此可以看出12 L/min螺旋噴嘴和16 L/min普通噴嘴的焊接性優(yōu)于其他兩種情況．

表1 焊接接頭拉伸試驗Table 1 Tension experiments of welded joint

圖13 焊縫硬度Fig.13 Hardness of the weld

3 結(jié)論

(1) 在不減小保護范圍低的情況下,采用特殊結(jié)構(gòu)噴嘴,可以顯著降低保護氣用量．

(2) 無風和微弱側(cè)風條件下,普通噴嘴保護氣覆蓋范圍小于螺旋噴嘴,擴散噴嘴保護氣覆蓋范圍大于縮徑噴嘴．

(3) 較大側(cè)風情況下,普通噴嘴抗側(cè)風能力高于螺旋噴嘴,縮徑噴嘴抗側(cè)風能力高于擴散噴嘴．

(4) 在滿足保護范圍條件下,縮徑噴嘴和擴散噴嘴保護氣體用量小于普通直孔噴嘴和螺旋噴嘴．

(5) 焊接件接頭硬度在焊縫中心處硬度最大,硬度由焊縫中心到母材處整體呈下降的趨勢．縮徑噴嘴和擴散噴嘴的焊縫在熱影響區(qū)硬度呈現(xiàn)峰值．